Ficha Técnica.p65

CIENCIA Y SOCIEDAD
Volumen XXXIII, Número 2
Abril-Junio 2008
PROTOTIPO A PEQUEÑA ESCALA DE UNA NEVERA SOLAR:
PRIMEROS RESULTADOS
(Prototype in a small scale of a solar refrigerador: first results)
Inna Samson*
Rodolfo Echarri**
Claudio El Hasi***
RESUMEN
Con el objeto de verificar la posibilidad de funcionamiento de una nevera solar por adsorción con
el par refrigerante metanol – carbón activado, se diseñó y construyó un prototipo a pequeña escala,
simulando la energía recibida del sol por medio de resistencias eléctricas. En las pruebas efectuadas
se obtuvo una temperatura de 4,9 °C en la cámara fría. Este resultado es muy prometedor
considerando que el dispositivo realizado sólo contiene una masa de carbón de la décima parte
necesaria para el prototipo de dimensiones reales lo que hace muy importantes las pérdidas de
calor, frente a la potencia del sistema.
PALABRAS CLAVES
Refrigeración, nevera solar, metanol, carbón activado.
ABSTRACT
With the purpose of verifying the possibility of operation of a solar refrigerador by adsortion
with a cooling pair (metanol-activated carbon), we designed and built a prototype in a small scale,
simulating the energy received from the sun, by electrical resistances. In the test we performed, a
temperature of 4.9 oC was obtained. This result is very promising, in so far as the device contains
only one tenth of the mass of carbon that the device of real dimension will have.
*
Área de Ciencias Básicas, Instituto Tecnológico Santo Domingo, Republica Dominicana
Email: [email protected]
** Instituto del Desarrollo Humano, Universidad Nacional de General Sarmiento, República Argentina
E-mail: [email protected]
*** Instituto de Ciencias, Universidad Nacional de General Sarmiento, República Argentina.
Email: [email protected]
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INTRODUCCIÓN
Es conocido por todos el problema de la utilización de combustibles fósiles
para la producción de energía y la utilización de los CFC en la industria.
La implementación de nuevas técnicas de refrigeración buscan paliar los
efectos de las dos cuestiones mencionadas aunque, por supuesto, no pretenden
eliminarlos totalmente.
Por un lado, en la industria de la refrigeración clásica (ciclo de compresión),
se han buscado reemplazantes del conocido freón, que actualmente ya están
en uso.
Por el otro, se han desarrollado técnicas que permiten obtener frío haciendo
uso de energías no convencionales. Dentro de estas últimas, se encuentra la
posibilidad de un ciclo de adsorción de metanol sobre carbón activado. El
mencionado ciclo permite utilizar, como fuente de energía, un colector solar
del tipo plano ya que son suficientes las temperaturas alcanzadas en él
(típicamente 100°C).
Si se quisiera utilizar otro tipo de ciclo donde la temperatura de la fuente
caliente tuviera que ser mayor, se deberían utilizar otro tipo de colectores
solares más sofisticados (concentradores) lo que aumentaría sensiblemente
los costos de producción de una nevera de este tipo.
Por otro lado, los colectores solares planos tienen la ventaja, frente a los
concentradores, que sus niveles de eficiencia se mantienen dentro de valores
aceptables aún en condiciones de nubosidad donde los concentradores pierden
totalmente su utilidad.
Además, si bien el metanol es tóxico, la presión máxima a la que puede
llegar a encontrarse dentro el sistema es del 20 % de la atmosférica y frente a
cualquier fuga, penetraría aire al sistema, y no saldría metanol. Esto es lo
contrario a lo que ocurre en las instalaciones de refrigeración de amoníaco
donde una pérdida en el sistema puede afectar severamente a las personas que
se encuentran cerca.
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Como ya hemos explicado en un trabajo anterior [1] la nevera solar
propuesta consiste en un colector solar plano donde se aloja una masa de
carbón activado que eleva su temperatura durante las horas de insolación. Al
elevar su temperatura, el carbón activado desorbe una cierta cantidad de
metanol que se encuentra adsorbido en él, la que pasa en estado gaseoso a un
condensador en el que pasa al estado líquido, liberando el calor latente de
condensación hacia el medio ambiente.
A su vez, el metanol en estado líquido pasa por gravedad a un recipiente
que lo contiene hasta que se completa el ciclo de desorción. En ese momento
se abre una válvula permitiendo el paso del líquido hacia el evaporador que
se encuentra en una cámara térmicamente aislada del medio ambiente (cámara
fría).
Cuando el carbón activado baja su temperatura (durante las horas sin sol)
comienza a adsorber los vapores de metanol presentes en el sistema, bajando
su presión y provocando la evaporación del metanol líquido que se encuentra
en el evaporador.
El calor latente de evaporación del metanol es el responsable de la
extracción de calor de la cámara fría.
Los cálculos que hemos realizado, que se han basado en trabajos previos
de otros autores [2],[3],[4],[5],[6],[7],[8] nos permiten estimar que para una
producción de 5 Kg de hielo diaria, es necesario un metro cuadrado de colector
solar con un contenido de unos 15 Kg de carbón activado, dependiendo de
sus características. El modelo a escala que construimos posee sólo 0,5 Kg de
carbón.
Como hemos explicado en el trabajo previo ya nombrado[1], todas las
cuestiones mencionadas anteriormente, junto con las posibilidades técnicas
de una futura producción de neveras de este tipo en República Dominicana,
nos han decidido a experimentar con el ciclo de adsorción de metanol sobre
carbón activado.
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Para verificar la posibilidad de obtener frío con un ciclo de esta naturaleza,
y al mismo tiempo comenzar un entrenamiento experimental para solucionar
algunos de los problemas que se presentan al elaborar equipos de este tipo, se
diseñó y construyó un dispositivo que logró bajar la temperatura del evaporador
notablemente.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
El diseño del dispositivo se puede observar en el esquema siguiente.
Todos los elementos empleados son de fácil adquisición y bajo costo:
El recipiente que contiene el carbón activado, el contenedor intermedio
de metanol líquido y el evaporador son matafuegos de carro en desuso.
El condensador y las tuberías complementarias se realizaron en tubos de
cobre para gas de 3/8” y las válvulas son también para gas.
Las uniones entre el hierro de los recipientes y los tubos de cobre se
realizaron por medio de soldadura de plata, y las uniones entre los tubos por
medio de uniones estandar para gas con anillo de aluminio.
El tamaño del prototipo es tal, que la cantidad de carbón utilizada es de
aproximadamente 500g. lo que nos da una cantidad de metanol adsorbido
máxima (en condiciones de saturación del carbón) de unos 150 CC. Sin
embargo se realizó la carga con 250CC de forma de asegurarnos que sobrase.
Dentro del recipiente con carbón (un cilindro de 25x8cm aproximadamente)
se han colocado tres tubos de cobre de 1/4” en los cuales se han practicado
perforaciones de 2mm separadas 4 mm entre si. Dichas perforaciones se
realizaron de forma tal que atraviesan de lado a lado el tubo y todas están
contenidas en un plano que contiene el eje del mismo. Sobre un plano ortogonal
al anterior (y que también contiene al eje) se realizó otra serie de perforaciones
iguales.
El número total de agujeros en cada tubo es de aproximadamente 200.
Esto permite que los vapores de metanol generados en la masa de carbón
circulen con facilidad hacia el resto del sistema.
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Dado que, en lugar de tener un colector plano, el sistema posee un cilindro
para contener el carbón, la energía proveniente del sol se simula colocando
dicho recipiente dentro de un horno con resistencias eléctricas, para tener
control de las temperaturas alcanzadas.
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El condensador se construyó sencillamente doblando en forma de zigzag
un tubo de cobre de 1/4” de aproximadamente 2m de longitud.
Por otro lado el evaporador, que también es un matafuegos de carro en
desuso, se colocó dentro de un recipiente de latón de dimensiones mayores
aislado con espuma de poliuretano en aerosol.
El dispositivo construido se puede observar en la fotografía, donde se
muestra un acondicionador para dar una idea de las dimensiones del prototipo.
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PUESTA EN FUNCIONAMIENTO
Para poner en funcionamiento el sistema, una vez colocado el carbón
activado en su recipiente, y el metanol en el evaporador se procedió a calentar
el carbón activado por medio de las resistencias hasta una temperatura de
unos 200°C durante tres horas mientras se mantenía la válvula 1 abierta y la 2
cerrada. de esta forma la mayor parte de los componentes adsorbidos por el
carbón fueron eliminados.
Luego de esto, para mejorar la activación del carbón, el sistema se conectó
a una línea de vacío a través de la válvula 1 durante otras dos horas, para
terminar abriendo la válvula 2 durante el tiempo necesario para observar la
salida de vapores de metanol a través de la línea de vacío. En ese momento se
cerró la válvula 1 y se desconectó la línea de vacío para posteriormente dejar
enfriar hasta temperatura ambiente al carbón activado.
A partir de aquí, se comenzó el experimento que consistió en calentar el
carbón activado a 100°C con la válvula del evaporador cerrada, durante el
tiempo suficiente para lograr la desorción. Luego de esto, se abrió la válvula
dejando pasar el metanol hacia el evaporador por gravedad, y se cortó el
suministro de energía para la calefacción del carbón.
De esta forma, al enfriarse el carbón hasta la temperatura ambiente,
comenzó el proceso de adsorción y por lo tanto el enfriamiento del evaporador.
La evolución de la temperatura del evaporador durante el experimento se
puede observar en la tabla siguiente.
Todas las temperaturas se midieron por medio de resistencias NTC de
previamente calibradas.
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En los subsiguientes ciclos simulados las diferencias de temperatura
logradas en el evaporador fueron sensiblemente menores hasta que después
de un par de días el sistema dejó de funcionar totalmente.
Esto, probablemente, se debe a pérdidas de vacío ya que la entrada de aire
al sistema impide la correcta evolución del ciclo.
PROBLEMAS ENCONTRADOS
1- Las válvulas utilizadas no son aptas para esta aplicación.Solución
propuesta: utilizar válvulas de mejor diseño y calidad, o diseñar y
construir válvulas adecuadas.
2- Los sellos de aluminio son atacados por el metanol. Solución propuesta:
utilizar sellos de cobre (actualmente no se consiguen en el mercado
argentino) o utilizar uniones soldadas con soldadura de plata.
3- El nivel de vacío alcanzado con el compresor de nevera no es el óptimo.
Solución propuesta: utilizar una bomba de vacío de paletas en baño
de aceite.
CONCLUSIONES
Con el trabajo realizado se ha mostrado cualitativamente la posibilidad de
funcionamiento de una nevera de este tipo.
Por otro lado, se ha logrado una valiosa experiencia durante la construcción
y evaluación del dispositivo, lo que permitirá la construcción de uno de
mayores dimensiones.
BIBLIOGRAFÍA
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energía solar. Ciencia y Sociedad, Vol XXIX Enero – Marzo 2004 RD ISSN
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Recibido: 10/03/08
Aprobado: 4/05/08
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